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제28회 서울특별시학생탐구발표대회

탐구보고서

소리의 파형으로 유추하는 사람의 감정에 대한 연구

출품번호

미기재

출품 부문 물리

2013. 10. 07.

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< 목 차 >

Ⅰ. 탐구 주제 ·····································································································3

Ⅱ. 탐구 동기 ·····································································································3

Ⅲ. 탐구를 통하여 알아보고 싶은 점 ···························································3

Ⅳ. 탐구 실행방법 ·····························································································3

Ⅴ. 이론적 배경 ·································································································4

Ⅵ. 탐구 내용과 결과 정리 ·············································································9

Ⅶ. 탐구를 통하여 알게 된 점 ·····································································17

Ⅷ. 탐구를 통하여 느낀 점 ···········································································18

Ⅸ. 인용 및 참고문헌 ·····················································································19

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Ⅰ. 탐구 주제

소리로 인해 진동되는 공기의 모양을 알아보고 사람들의 감정을 함께 연관시켜 파동의 모양

의 공통점을 찾아보고, 미래에 예측할 수 있도록 데이터화 한다.

Ⅱ. 탐구 동기

얼마 전 현대자동차에서는 청각장애인이 음악을 들을 수 있도록 청각장애인용 “터처블 뮤직

시트”를 개발했다는 그 TV광고를 보고서 저희 팀은 청각장애인용 “터처블 뮤직시트”에 흥미

를 느꼈습니다. 그 광고에서 소리를 들을 수 없는 청각장애인도 진동을 통해 음악을 듣고 감동

을 받는 모습이 굉장히 인상적이었습니다. 터처블 뮤직시트”에 관련한 자료를 검색해 본 결과,

“터처블 뮤직시트”에는 스피커의 진동이라는 개념이 들어있다는 것을 알았습니다. 그래서 저

희는 직접 집에 있는 오디오시스템으로 음악을 틀어 놓고 스피커를 만져 보았더니 진동이 느

껴졌습니다. 이를 시각적으로 보기 위해서 드라이아이스로 간이 실험을 한 결과, 각 소리마다

연기의 모양이 다르다는 사실을 알게 되었습니다. 이런 사실을 토대로 저희 팀은 어떤 소리의

진동이 사람의 감정을 긴장시키고, 차분하게 만드는 것인지 깊이 알고 싶어져서 탐구하기로 했

습니다.

Ⅲ. 탐구를 통하여 알아보고 싶은 점

1. 실험을 통해 각 소리들의 모양을 확인하고, 각각의 특징들을 알아본다.

2. 설문조사를 통해 사람들이 각 소리에 대하여 어떻게 생각하는지 알아보고, 그 소리의 모양

들의 공통점을 찾아본다.

3. 공통점들을 통하여, 다른 소리의 모양을 가지고도 사람들이 그 소리를 보통 어떻게 느낄

것인지 예측할 수 있도록 데이터화한다.

Ⅳ. 탐구 실행방법

1. 탐구 과정

탐구 기간 탐구를 실행한 절차

8월 1일 연구 주제 설정, 팀원 간 역할 분담

8월 1일-8월 6일 선행 연구 분석 및 이론 적 배경 탐색

8월 5일-8월 7일 탐구 방법 설계 및 보완

8월 8일 실험을 위한 도구 준비8월 9일 실험을 위한 mp3 파일을 제작함

8월 10일 연기, 촛불을 이용해 파동의 시각화 실험

8월 8일-8월 14일 사람의 감정에 대한 설문조사

8월 10일-8월 16일 탐구보고서 작성8월 20일 탐구보고서 제출

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Ⅴ. 이론적 배경

1. 소리에 대한 기본적인 것

가. 소리의 기본, 진동

물체의 위치, 전류의 세기 등, 물리량이 일정시간마다 일정한 값으로 규칙적으로 변동하는 현

상을 말한다. 진동의 종류로는 단진동, 전기진동, 강제진동, 자유진동, 연성진동, 비선형 진동

등이 있다. 용수철에 무게를 가했을 때 생기는 단진동이 기본이 되며, 일반적으로는 몇 개의

단진동이 겹쳐서 진동이 발생한다. 또한 강제진동은 공명 또는 공진이라고도 한다1).

나. 소리의 형태, 파동

진동은 공간이나 물질의 한 부분에서 생긴 물리량이 일정시간마다 일정한 값으로 규칙적으로

변동하는 현상이다. 때문에 진동은 에너지를 가지고 있다. 시간의 흐름에 따라 진동은 주위로

멀리 퍼져나가는데, 이 현상을 파동이라고 한다. 하지만 파동은 에너지를 전파할 뿐, 매개 물질

을 직접 이동시키지는 않는다.

파동은 회절 현상과 간섭 현상이 있는데, 회절 현상은 파동의 진행 방향에 방해물이 있을 때,

직진하지 않고 장애물 뒤쪽으로 돌아 들어가는 현상이다. 이는 소리에서도 일어난다. 간섭 현상

은 두 가지 이상의 파동이 첨가되어 새로운 파동의 형태를 나타내는 것이다. 만약 파동의 머리

부분이 다른 파동의 머리 부분과 같은 점에서 만나게 되면 그 머리 부분이 보강 간섭하여 진폭

이 커지게 된다. 하지만 서로 일치 하지 않은 두 파장의 머리 부분이 만나게 되면 소멸간섭이

되어 진폭이 전체적으로 작아진다. 파동은 반사되기도 한다. 예를 들어, 파동의 대표적인 소리는

메아리와 같이 파동이 반사되어 되돌아와, 자신이 내뱉은 말을 들으면서 이야기하게 된다.

파동은 크게 종파와 횡파로 나눌 수 있다. 횡파는 매질의 상태변화 방향이 파동이 진행하는

방향에 수직인 것을 말한다. 예를 들면, 빛이나 전파 등은 횡파이다. 이에 대해 종파는 매질의

상태변화의 방향이 파동의 진행방향에 대해 평행인 것으로 ‘조밀파‘라고도 한다. 그 예로 음파

즉, 소리가 있다2).

<그림1> 파동의 구조

1) 한국과학창의재단 사이언스몰, 과학백과사전, 진동2) 두산백과 사전, 파동

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<그림2> 횡파와 종파

다. 음파 즉, 소리

물체의 진동이나 기체의 흐름에 의하여 발생하는 파동의 일종이다. 물체의 진동에 의한 소리

를 ‘고체음‘이라고 하며, 진동하는 물체의 모양과 종류에 따라 다른 소리가 난다. 공기의 흐름

에 의한 소리를 ’기류음‘이라고 하며, 기류의 빠르기와 형태에 따라 다른 소리가 난다. 세기, 높

이, 맵시를 소리의 3요소라고 하는데, 이 중 소리의 세기는 소리의 진폭에 따라 결정된다. 진폭

이 클수록 큰 소리이고 진폭이 작을수록 낮은 소리이다. 소리의 세기는 ㏈(데시벨)로 나타내며

소리의 높낮이의 경우, 진동수가 클수록 높은 소리이다. 사람이 들을 수 있는 소리의 진동수는

16-20000㎐이다. 마지막으로 소리의 맵시의 경우, 음파의 모양에 따라 다르며, 같은 진동수에

같은 진폭의 소리라도 악기마다 소리가 다른 것은 소리의 맵시가 다르기 때문이다3).

소음도 종류

120 비행기 엔진 부근110 자동차의 경적(전방 2m)100 전철이 통과할 때 밑에서 느끼는 소리90 큰소리로 독창, 시끄러운 공장 내80 지하철 차내, 국철 차내70 전화 벨, 시끄러운 사무실 내60 조용한 승용차, 일반 대화50 조용한 사무실40 시내 심야, 도서관, 조용한 주택가의 낮30 교외의 심야, 속삭임 소리20 나뭇잎 소리, 시계 초침 돌아가는 소리

<표1> 소음도

3) 신근섭, 물리 용어사전

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2. 청각과 감정

가. 감정

감정은 어떤 현상이나 사건을 접했을 때 마음에서 일어나는 느낌이나 기분을 말한다. 전에는

심리학에서 감각과 감정을 구별하지 않았으나, J.워드와 W.분트는 감각은 객관적이며, 감정은

주관적인 것이라 구별하였다. 감정은 인식작용이나 충동의지와 다른 것이지만 엄밀히 구분할

수는 없다.

<그림3> 감정 척도

나. 소리를 듣는 능력, 청각

청각 감각은 시각과 같이 다양하고 복잡하며, 튜바(tuba)의 낮은 음에서부터 날카로운 호각의

높은 음까지 인간은 식별할 수 있으며, 귀는 외부세계에서 많은 종류의 소리의 자극들이 존재

하며, 모든 자극에 반응하고 모든 자극을 식별할 수 있는 능력을 지니고 있다. 귀에 있는 고막

을 이용해 소리를 듣는다.

3. 스피커로 인해 공기가 진동하게 되는 과학적 원리

가. 스피커는 진동을 하며 소리를 낸다.

스피커에는 진동을 하는 진동판이 있다. 이 진동판에는 코일이 붙어있다. 이 코일을 보이스

코일이라고 하는데, 보이스 코일을 영구자석 가까이 놓고, 코일에 소리 정보를 가진 전류를 흘

려보내주면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 코일이 힘을 받아 움직인다. 그러면 코일과 붙어있는

진동판이 진동을 하면서 공기도 함께 진동하여 소리가 나게 된다. 이것이 스피커에서 소리가

나는 기본적인 원리이다.

보이스 코일에 교류를 보내주었을 때, 코일에 흐르는 전류의 방향이 정반대로 바뀔 때마다 힘

의 방향이 정반대로 바뀌게 되어 보이스 코일이 상하로 움직이게 된다. 그 결과 보이스 코일에

붙어있는 스피커의 진동판이 왕복운동을 하게 되고, 소리가 재생된다. 이와 같은 이유로, 진동

판 앞쪽에 있는 공기는 진동판과 함께 진동하게 된다.

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<그림4> 스피커의 구조

(참고) 플레밍의 왼손 법칙

자기장 속에 있는 도선에 전류가 흐르면 움

직이는 전하에 작용하는 힘에 의해 도선도

힘을 받는다. 플레밍의 왼손법칙을 사용하면

자기장의 방향과 전류가 흐르는 방향을 알

때 도선이 받는 힘의 방향을 결정할 수 있다.

방법은 왼손의 검지를 자기장의 방향, 중지를

전류의 방향으로 했을 때, 엄지가 가리키는

방향이 도선이 받는 힘의 방향이 된다4).

<그림5> 플레밍의 왼손 법칙

나. 스피커 앞에서 가장 심하게 진동하는 부분

실험에 사용되는 스피커는 비교적 작은 편이다. 작은 스피커는 원형을 그리며 소리가 퍼진다.

이때, 소리가 낮으면 아래쪽으로, 소리가 높으면 위쪽으로 소리가 올라가게 된다. 실험에 쓰일

소리들은 대부분 높은 소리이므로 <그림6>의 위치에서 진동이 가장 심할 것이다.

4) 이수종, 과학 용어사전

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4. 사전 설문조사

가. 설문조사

우리 팀은 소리에 따라 사람들이 느끼는 감정을 알아보기 위해 성인 50명을 대상으로 설문조

사를 실행하였다.

나. 설문조사 결과 - 평균값

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Ⅵ. 탐구 내용과 결과 정리

가. 실험 준비물

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나. 첫 번째 실험 (촛불 실험)

1) 실험 주제

촛불을 이용해 공기의 진동을 촛불이 변화하는 모양으로 본다.

2) 실험 결과 예상

소리가 나오면 그 앞쪽에 있는 공기들이 진동하면서 그 안에 포함되어있는 불꽃도 함

께 흔들릴 것이다. 또한 소리들마다 불꽃의 모양도 모두 다르게 나타날 것이다.

3) 실험 방법

① 스피커 앞에 촛불을 놓고

촛불의 밑 부분을 잘라가면

서 높이를 맞춘다.

② 촛불에 불을 붙이고, 데

시벨 측정기를 이용해, 스피

커의 출력을 조절한다.

③ 스피커를 컴퓨터와 연결

한 후, 컴퓨터에서 준비해둔

mp3파일들을 재생한다.

최종 모습

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4) 실험 결과

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5) 결론

모든 소리마다 지속되는 시간, 모양, 기울기 등이 달랐다. 그것을 정리하면 아래와 같이 된다.

※ 촛불은 변화가 단순했기 때문에 감정과의 관계를 분석하지 않았다.

다. 두 번째 실험 (연기 실험)

1) 실험 주제

향을 이용해 연기를 피워 공기의 진동을 연기의 모양으로 본다.

2) 실험 결과 예상

소리가 나오면 그 앞쪽에 있는 공기들이 진동하면서 그 안에 포함되어있는 연기도 함

께 흔들릴 것이다.

3) 실험 방법

① 스피커 앞에 향을 꽂고 향을 잘라가면서 높이를 맞춘다.

② 향에 불을 붙이고, 데시벨 측정기를 이용해, 스피커의 출력을 조절한다.

③ 향에서 나오는 연기가 직선이 되는지 확인하고, 스피커를 컴퓨터와 연결한다.

④컴퓨터에서 준비해둔 mp3파일들을 재생한다.

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4) 실험 결과

※ 연기는 스피커 바로 앞부분에서 변화가 나타나는 경우와, 스피커를 지난 뒤, 윗부분에서 변

화가 나타나는 경우가 함께 나타났다. 그러므로 스피커 앞부분과 스피커를 지나간 윗부분으로

나뉘어서 분석하겠다.

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5) 분석

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<참고> 위의 그림에서 파란색 선은 연기의 모양 중에서 가장 움직임이 심한 부분을 나눈 것

인데, 저 선의 높이에 따라 소리의 높낮이도 추측할 수 있다. 소리가 낮으면 아래로 가라앉고,

소리가 높다는 성질을 생각하면, 소리가 높을수록 파란색 선이 높고, 소리가 낮을수록 파란색

선이 낮다고 볼 수 있다.

6) 연기의 모양이 비슷한 것끼리 분류하는 과정

※ 연기의 모양은 촛불의 모양에 비해 복잡하고 육안으로 한 번에 분류하기 어려웠다. 그래서

OHP 필름을 이용하여 연기의 모양을 본뜬 후, 서로 겹쳐보는 방식으로 분류하였다.

① 준비물

< OHP 필름, 연기 사진, 유성 매직, 삼각자 >

② 분류하는 방법

1단계

사진위에 OHP필름을 놓고 고정 시킨 뒤, 연기의 모양과 일치하게 유성 마카를 이용해 그린다.

2단계

본뜬 그림들을 잘 보이게 펼쳐놓고 서로 겹쳐보아 비슷한 모양인 것끼리 분류한다.

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7) 분류 결과

분류 결과 크게 2가지 형태로 나눌 수 있었다. 첫 번째 형태는 스피커 바로 앞부분에서 직선처

럼 올라가지만 스피커를 지난 윗부분은 안으로 말려들어가는 형태다. 두 번째 형태는 스피커

바로 앞부분에서 특정모양의 흔들림이 보이고 스피커를 지나간 윗부분은 펑 터진 것과 같이

흐트러진 형태다. 첫 번째 형태는 주로 지속되는 소리들이고 두 번째 형태는 주로 짧고 빠르게

반복되는 소리들이다.

8) 연기 실험 결과와 설문조사 결과의 비교 및 분석

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긴장된다

폭탄 터지는 소리

짧고 빠르게 반복하는 단속적인 소리들이 주

로 긴장된다는 결과가 나왔다. 이 소리들은 주

로 어떤 것을 알리거나 조심하라고 경고하는

소리이므로 긴장된다는 결과가 나온 것 같다.

자동차 경적 소리

천둥 번개 소리

노크 소리

초인종

스프레이

차분해진다

마우스 클릭 소리 주로 길게 지속되는 소리들이 차분해진다는

결과가 나왔다. 이들은 주로 자연의 소리인데

사람들이 마음을 가다듬고 안정을 취하는데

도움이 될 것 같다.

폭포 소리

바람 소리

시냇물 소리

우리가 실시했던 설문조사에서 사람들은 각각의 소리들을 들었을 때 긴장이 되는지 아니면 차

분해지는지 응답을 해 주었다. 결과는 위의 그림과 표와 같은데 이는 놀랍게도 우리가 연기 실

험을 해서 얻은 결과와 거의 일치한다. 따라서 우리는 특정 소리가 나오는 스피커 앞에 있는

향의 연기의 모양만 보고도 그 소리에 대해 사람들이 긴장감을 느낄지 아니면 차분함을 느낄

지 추측할 수 있을 것이라고 생각하였다.

10) 결론

1. 우리는 소리가 파동이라는 사실을 직접 눈으로 보면서 확인할 수 있었다.

2. 스피커 앞에 있는 연기의 모양만으로도 그 스피커에서 나오는 소리의 길이, 소리의 높낮이,

사람들이 이 소리를 듣고 어떻게 느낄지 추측할 수 있을 것이다.

Ⅶ. 탐구를 통하여 알게 된 점

1. 소리는 종파라는 파동의 일종이라는 것을 확실히 알았고, 여러 시행착오를 거쳐 직접 제작한

실험 키트를 이용해 소리를 시각화 하는데 성공했다.

2. 연속적인 소리는 촛불이 기울어지기는 해도 직선을 유지하고, 단속적인 소리는 촛불의 끝이

가만히 있다고 해도 중간 부분이 밀린다.

3. 연속적인 소리는 스피커 바로 앞부분은 연기가 흔들리지 않고, 스피커를 지나간 윗부분에서

말리는 현상이 나타난다.

4. 단속적인 소리는 스피커 바로 앞부분에서는 연기의 특유의 떨림이 보였고, 스피커 윗부분에

서는 많이 흩어져 있었다.

5. 사람들은 주로 단속적인 소리를 긴장된다고 느끼고, 연속적인 소리를 차분해진다고 느꼈다.

6. 연기의 모양만 봐도 이제는 그 소리의 길이와 사람이 그 소리를 어떻게 느낄지도 알 수 있다.

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Ⅷ. 탐구를 통하여 느낀 점

소리가 음파와 진동을 가지고 있다는 것은 알고 있었지만 소리마다 음파가 달라서 설문조사

를 했을 때의 감정과 연관시켜서 공통점이 있다는 것이 놀라웠다. 솔직히 정말 말 그대로 실험

이어서 성공할지 잘 몰랐다. 하지만 결과가 공통점과 함께 나와서 좋았다. 그래서 이제는 공통

점을 찾아서 촛불의 모양과 연기의 모양만 봐도 대충은 사람들이 어떻게 느낄지 예상이 된다.

우리가 느끼는 감정은 하나의 감각만으로 느끼는 것이 아니라, 다른 감각들이 함께 작용하여

그 효과를 증폭시킨다는 것을 알았다. 예를 들어, 영화, 연극과 같이 시각적으로 보는 것에서

음향효과는 중요한 부분을 차지한다. 가령, 공포영화에 음향이 빠진다면 그 무서움이 줄어들

것이다. 왜냐하면 소리 때문에 느껴지는 무서운 부분이 사라지기 때문이다. 이처럼, 소리는 우

리가 오감을 이용해서 느끼는 감정에서 큰 역할을 한다.

소리와 감정의 관계를 전문적인 기기를 이용해 조금 더 구체적으로 소리를 분석해 낼 수 있

으나, 우리만의 방식으로 소리의 파형을 시각적인 방법으로 분석해 냈다는 것이 자랑스러웠다.

또한, 우리가 이 실험을 하게 된 동기였던 터처블 뮤직 시트와 같은 청각장애인을 위한 음향기

기를 청각 외의 다른 오감을 대치하여 사용할 수 있도록 더 많은 연구가 이루어지면 좋겠다.

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Ⅸ. 인용 및 참고문헌

1) 한국과학창의재단 사이언스몰, 과학백과사전, 진동

2) 두산백과 사전, 파동

3) 신근섭, 물리 용어사전

4) 이수종, 과학 용어사전

5) 홍옥수/정민경, 선생님도 놀란 초등과학 뒤집기, 소리

6) 최은경, 선생님도 놀란 초등과학 뒤집기, 파동

7) 정완상, 하위헌스가 들려주는 파동이야기

8) 이석원, 음악음향학, 57쪽